綠色混合數(shù)字計算電源管理

一、引言

圖1所示的模擬電源解決方案是一種眾所周知和經(jīng)過實踐檢驗的技術(shù)，功率電子工程師在時域中理解起來毫不費力。模擬PWM控制器包括一個誤差放大器，用一些電阻和電容構(gòu)成補償網(wǎng)絡(luò)。通過對電阻和電容值進行微調(diào)可實現(xiàn)最佳性能。模擬PWM控制器提供快速和準(zhǔn)確控制，人們開發(fā)了許多先進的模擬控制方案來實現(xiàn)最佳性能，特別是在瞬態(tài)要求非常嚴(yán)格的微處理器核心電源應(yīng)用中，其針對核心及外設(shè)電源應(yīng)用的簡單性、易用性和低成本是無可替代的。

圖1，模擬電源框圖。

最近，數(shù)字電源在計算機應(yīng)用領(lǐng)域受到重視。圖2偵測所示的數(shù)字電源解決方案通過數(shù)字化所偵測的電壓和電流信息以及以數(shù)字形式(頻域)重建補償器和PWM比較器來仿真模擬控制環(huán)路模塊。要想實現(xiàn)與模擬環(huán)路相似的性能，常常需要極高速(>100MHz)的數(shù)字算法處理器，這會導(dǎo)致較高的待機功耗，并可能需要非易失存儲器(NVM)來存儲具體設(shè)計配置信息，如反饋補償參數(shù)。它還需要工程師在模擬和數(shù)字域中理解設(shè)計。由于其復(fù)雜性的緣故，普通電源設(shè)計人員無法完全理解數(shù)字PWM控制器，這迫使數(shù)字PWM廠商向用戶提供所有支持和完成設(shè)計的大部分內(nèi)容。因此，設(shè)計的穩(wěn)健性和可靠性嚴(yán)重依賴于廠商支持。數(shù)字電源有模擬電源所不具有的一些優(yōu)點，如輕松更新控制回路補償參數(shù)而不修改硬件電路。另一方面，偵測適合計算機應(yīng)用行業(yè)的解決方案仍然需要對熱補償和電流偵測網(wǎng)絡(luò)在硬件電路層面進行微調(diào)，因此它們根本不是全數(shù)字式方案，而是一種混合式方案。

圖2，數(shù)字電源框圖。

對于需要用戶接口和電源管理的系統(tǒng)，人們常常會引入串行總線，如PMBus。圖3所示的混合數(shù)字電源解決方案在模擬控制環(huán)路和電源管理模塊之間需要一個ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)和一個DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)，用于接口和通信。由于數(shù)字電源方案中一切采用數(shù)字形式的部分都包含在控制環(huán)路中，所以數(shù)字環(huán)路和電源管理模塊之間不需要專用的ADC或DAC，如圖4所示。但是，數(shù)字電源解決方案需要一個ADC來數(shù)字化偵測到的電壓和電流模擬信號，以便進行數(shù)字控制處理，還需要一個DAC來將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換回模擬形式，用于控制功率級。該ADC和DAC都在數(shù)字控制環(huán)路內(nèi)部;這有可能影響環(huán)路響應(yīng)，除非使用非常高速和高位數(shù)(bit-count)的ADC/DAC，這會顯著提高偏置功率。PMBus電源管理模塊的工作頻率通常為100kHz或400kHz，而對于非?？焖俚腁DC和DAC轉(zhuǎn)換，數(shù)字控制算法處理器的工作頻率必須大于100MHz。因此，混合解決方案通常具有比數(shù)字解決方案低得多的偏置功率和更快速的環(huán)路響應(yīng)。

本文將詳細(xì)討論全數(shù)字和混合數(shù)字電源方案，包括實現(xiàn)、系統(tǒng)性能、成本、制造和庫存控制以及環(huán)境影響。

圖4，全數(shù)字電源解決方案框圖。

二、混合數(shù)字電源管理與全數(shù)字電源管理

(1)偏置功率需求

要想實現(xiàn)高精密的DAC精度(比如0.5%)和高PWM分辨率(比如100ps)，數(shù)字控制器需要極高速(>100MHz)處理器[2]來在數(shù)字域中仿真模擬控制環(huán)路。它通常使用低偏置電壓，如1.8V、2.5V或3.3V，這有助于最小化偏置功率。但是，為計算機應(yīng)用開發(fā)的兩個多相數(shù)字PWM控制器會消耗超過100mA偏置電流，消耗的偏置功率是Intersil的混合數(shù)字多相PWM的的3~5倍。表1詳細(xì)說明了這一點，以及對Intersil和另外兩家數(shù)字PWM廠商針對英特爾VR12代多相控制器的其他相關(guān)比較信息。由于消耗的偏置功率較高，設(shè)計中使用該種數(shù)字控制器的穩(wěn)壓器具有輕負(fù)載時效率低的缺點，且無法滿足能源之星要求，同時通常不用于筆記本電腦應(yīng)用。由于未來產(chǎn)品要求更低的功耗和追求更綠色的環(huán)保，所以全數(shù)字控制似乎不是正確的道路。

此外，更低的偏置電壓通常會限制共模范圍，并可能在輸出電壓變高時使DCR電流偵測放大器飽和。它會導(dǎo)致各相間電流失衡，進而導(dǎo)致功率級過載。而且，數(shù)字控制器具有更低的PWM輸出信號電平，并有可能引入相位轉(zhuǎn)換時的噪聲，可能會在空間緊張型設(shè)計中導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

(2)可編程性和用戶接口

市面上的多相數(shù)字PWM解決方案確實提供了對環(huán)路響應(yīng)進行編程而不需要對硬件電路進行修改的優(yōu)點，但仍然需要通過微小的電路修改對許多其他功能進行微調(diào)。全數(shù)字方案非常傾向于算法驅(qū)動方式，且因廠商的不同而異。通常，客戶不會成為解決方案方面的專家，或者可能只有1~2名工程師完全理解該控制器。因此，數(shù)字解決方案的穩(wěn)健性和可靠性嚴(yán)重依賴于廠商的支持。

混合數(shù)字方案提供了模擬控制環(huán)路來實現(xiàn)世界一流的瞬態(tài)性能，以及PMBus接口來實現(xiàn)可編程性和用戶接口?？刂骗h(huán)路可編程性可按需要來實現(xiàn)而不會產(chǎn)生全數(shù)字解決方案的高偏置電流缺點。精通模擬解決方案的電源工程師通常非常容易理解這一點，因而出錯機會更小，更有可能在第一次就成功。

(3)環(huán)路和瞬態(tài)響應(yīng)

由于DAC和ADC轉(zhuǎn)換延遲，數(shù)字控制器的環(huán)路帶寬通常限于不超過100kHz范圍，而模擬和混合數(shù)字控制器可以超過100kHz，如圖5所示。圖6顯示慢速環(huán)路的響應(yīng)速度將會更慢并產(chǎn)生更高的過沖和下沖。模擬環(huán)路對負(fù)載和輸入瞬態(tài)的響應(yīng)快很多，最小化了輸入和輸出干擾，導(dǎo)致更小的輸入和輸出濾波器尺寸。盡管非線性技術(shù)通常用于加快數(shù)字控制器的響應(yīng)速度，但它會在寬負(fù)載范圍上造成不一致的響應(yīng)，如圖7所示，其原因在于離散閾值的觸發(fā)。此外，非線性控制會導(dǎo)致不均勻的脈沖分布和低劣的電流均衡能力，如圖9所示。與用于數(shù)字控制器的非線性控制方案相比，Intersil的混合數(shù)字控制器ISL6367/67H [9,10]使用的線性控制可產(chǎn)生平滑的負(fù)載階躍響應(yīng)和均勻分布的相位脈沖，如圖8和圖10分別所示。[!--empirenews.page--]

圖6，慢速環(huán)路與快速環(huán)路瞬態(tài)響應(yīng)。

圖8，采用Intersil的線性控制的瞬變。

圖10，線性控制1MHz瞬變的相位轉(zhuǎn)換順序。

(4)DC性能

與模擬解決方案的無限分辨率相比，全數(shù)字解決方案常常具有由于ADC分辨率和PWM分辨率而產(chǎn)生的量子化誤差。另外，電源狀態(tài)的紋波變化也會影響穩(wěn)壓精度，如圖11所示?；旌戏桨副３至四M方案的高精度。

數(shù)字控制器常常聲稱在環(huán)境條件、老化和元件變化下具有更小的Vout漂移。對數(shù)字控制環(huán)路補償部分(沒有外置R和C)是真的，但包括輸出濾波器(電感和電容)在內(nèi)的功率系的特征仍然會隨著環(huán)境溫度、老化和元件變化而變化。校準(zhǔn)可以改進精度，特別是在電流偵測中，但它會增加成本(參見E部分)。除非在每次上電時進行校準(zhǔn)并對控制環(huán)路進行重新配置，否則數(shù)字解決方案將仍然會有易受環(huán)境變化影響的缺點。此外，低DCR(0.15mOhm或更小)電感將會繼續(xù)增多這樣的影響，在全數(shù)字控制器的情況下這將要求更高分辨率的ADC，亦即更高的偏置電流。

數(shù)字解決方案的DC精度受PWM分辨率的影響[2];例如，200ps PWM分辨率會對1MHz 開關(guān)頻率下的12V輸入產(chǎn)生2.4mV誤差。

圖11，來自VID加載的輸出失調(diào)(10A)

(5)校準(zhǔn)

全數(shù)字解決方案常常宣揚其校準(zhǔn)功能，因為它們常常需要進行校準(zhǔn)來實現(xiàn)與混合方案相同的精度。校準(zhǔn)是復(fù)雜和非免費的，常常需要外置MOSFET和精密偵測電阻，如同廠商B的解決方案一樣。這些附加元件通常價值超過0.20美元，同時還會增加用電量。

(6)相倍增器兼容性和上電順序

相數(shù)倍增器常常用于高相數(shù)和超頻應(yīng)用[3]。通道之間的電流均衡對設(shè)計穩(wěn)健和可靠的系統(tǒng)極其重要。市面上實現(xiàn)通道電流均衡的相數(shù)倍增器僅為5V PWM輸入邏輯[11,12]，且不兼容3.3V數(shù)字控制器。數(shù)字控制器一直使用沒有電流均衡功能的相數(shù)倍增器，這會產(chǎn)生長期可靠性較差和可能造成系統(tǒng)發(fā)熱事件。Intersil相數(shù)倍增器集成電路的卓越相間電流均衡請參見圖12。

圖12，Intersil相倍增器在負(fù)載瞬變期間的通道電流均衡

在服務(wù)器領(lǐng)域，可產(chǎn)生最佳效率的典型驅(qū)動器電壓為5V，這是不同于數(shù)字控制器的偏置電壓的，它使上電順序和保護復(fù)雜化;出現(xiàn)了三種可能情景：

1) 驅(qū)動器首先上電。 驅(qū)動器檢測到PWM低并接通低端MOSFET來給輸出放電;系統(tǒng)將不允許預(yù)充電啟動。

2) 數(shù)字控制器首先上電。驅(qū)動器檢測到PWM高或者在驅(qū)動器電壓變慢時檢測到一個全占空比PWM信號;系統(tǒng)將失去軟啟動并導(dǎo)致高端MOSFET的過應(yīng)力。

3) 驅(qū)動器和控制器由同一個啟用信號控制。在斷電期間由于高端MOSFET短路，CPU將不會受到保護，因為驅(qū)動器已被禁用。

(7)系統(tǒng)保護

數(shù)字控制器需要數(shù)字化電壓和電流信息，然后再將其轉(zhuǎn)換回模擬信息，這一切全都在控制環(huán)路內(nèi)部進行。這通常導(dǎo)致比模擬環(huán)路更慢的響應(yīng)，如圖5所示。另外，由于控制環(huán)路中的ADC和DAC，數(shù)字控制器將對需要立即予以響應(yīng)的故障(如輸出短路、高端MOSFET短路或輸出過電壓)產(chǎn)生較差的保護。如表1所示，市面上的數(shù)字解決方案只對輸出提供一個偵測點。當(dāng)反饋路徑由于元件性能降低、灰塵或潮濕而形成分割器時，輸出電壓將上升而不觸發(fā)過壓保護(OVP)，因為沒有第二個點來監(jiān)測輸出電壓。這會輕易導(dǎo)致單點故障和對CPU的潛在損害。另外，它們使用的是估計方法來檢測輸入電流。這種方法速度慢且不能提供真正的災(zāi)難性故障保護(CFP)輸出來指示消除輸入源，以免發(fā)生發(fā)熱事件[9,10]。相反，Intersil的混合方案有兩個輸出偵測點(VSEN和FB)來避免單點故障，以及真正的輸入電流偵測來監(jiān)測CFP，這可以對CPU提供出色的保護。

(8)制造和庫存控制

全數(shù)字控制器需要非易失存儲器(NVM)來存儲配置信息，這些配置通常在出廠前已經(jīng)編程。如果該器件用于不同的平臺，其將需要不同的配置文件和庫存批次。計算機市場非?；钴S，需求會突然發(fā)生變化。一旦一種平臺失去了市場，該平臺的特定零件就不能復(fù)用于其他平臺。帶有不同配置的相同控制器可用于不同的平臺，但常常會給售后服務(wù)制造困難，例如故障分析。數(shù)字解決方案使庫存控制復(fù)雜化并增加了總成本。而混合數(shù)字控制器就沒有這些問題;單個零件可用于或復(fù)用于不同平臺，從而幫助簡化制造控制和降低總成本。

(9)外置元件和PCB真實狀態(tài)

數(shù)字電源解決方案使用集成度很高且昂貴的控制器，這些控制器常常使用很少的外置元件以及比模擬解決方案更少的PCB空間。但是，可用于計算機技術(shù)領(lǐng)域的核心和內(nèi)存應(yīng)用的數(shù)字控制器必須高速和經(jīng)濟，且常常并未集成所有功能。如表2(混合數(shù)字和全數(shù)字計算解決方案的外置元件比較)所示，數(shù)字解決方案消除了補償網(wǎng)絡(luò)，而許多其他功能仍然需要外置元件。例如，市面上的數(shù)字解決方案額外需要兩個去偶電容(用于抑制噪聲)以及不多幾個L/DCR匹配元件。廠商A甚至需要4個NTC網(wǎng)絡(luò)，用于熱補償和監(jiān)測，并對完整的6+1解決方案需要更大的封裝。數(shù)字解決方案可能在控制器周圍需要更少的元件，但常常在功率系部分周圍需要更多的元件，包括驅(qū)動器去耦、DCR偵測網(wǎng)絡(luò)以及輸入和輸出濾波器，從而誤導(dǎo)用戶。[!--empirenews.page--]

表2，計算機技術(shù)領(lǐng)域的混合數(shù)字與全數(shù)字6+1解決方案的外置元件

三、Intersil綠色混合數(shù)字電源

(1)線性控制——EAPP

Intersil獨有的增強型主動脈沖定位(EAPP)調(diào)制方案是一種線性雙邊控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在穩(wěn)態(tài)工作期間它是固定頻率控制，但在瞬態(tài)事件期間則是變頻控制。它可以增加負(fù)載施加期間的開關(guān)頻率和降低負(fù)載釋放期間的頻率。在直流和交流工作條件下，它還在所有相位之間保持均勻的脈沖分布。如圖10和圖13所示，相位轉(zhuǎn)換順序在負(fù)載瞬態(tài)頻率變化期間保持相同：1-2-3-4 ---- 1-2-3-4，中間沒有任何東西。如圖9所示，在特定負(fù)載瞬態(tài)頻率下非線性控制會產(chǎn)生隨機分布的脈沖。這種新穎的EAPP控制方案顯著改進了電流均衡和減小了高頻瞬態(tài)事件期間的差頻振蕩，如圖14和圖15所示。

電流模式控制常常在占空比高于50%時出現(xiàn)次諧波振蕩[7]，而數(shù)字控制也會出現(xiàn)周期極限振蕩[8]。可以向環(huán)路引入人為斜坡補償來最小化這些效應(yīng)，但其將會減慢環(huán)路速度和減弱瞬態(tài)響應(yīng)。Intersil的EAPP是一種雙邊電壓模式調(diào)制器，不會出現(xiàn)這些不穩(wěn)定問題，從而產(chǎn)生具有優(yōu)異模擬性能的更穩(wěn)健、可靠的系統(tǒng)。

圖14，線性控制350kHz瞬變的電流均衡。

圖15，線性控制50kHz瞬變的電流均衡。

(2)DC性能

模擬控制環(huán)路可使電壓和電流偵測放大器盡可能保持精確而無需任何不必要的校準(zhǔn)。圖16顯示6相系統(tǒng)具有良好均衡的相電流，而圖17顯示不同電路板的非常緊的降低公差。

圖17，6個電路板的下降控制精度。

(3)AUTO 模式的高效率

Intersil的相應(yīng)AUTO模式有助于改進低負(fù)載區(qū)的VR效率。如圖18所示，自動相數(shù)控制(APN)使VR能夠在整個負(fù)載上在最佳效率下工作[1]。

圖18，不同相數(shù)的效率和ISL6367/67H評估板的APN。

(4)AUTO模式中的APA控制

CPU能夠在任何時刻毫無延遲地施加高di/dt負(fù)載，因此多相VR必須為重負(fù)載施加做好準(zhǔn)備。使用APN控制不能對VR對這些負(fù)載瞬態(tài)事件的性能產(chǎn)生不良影響。Intersil的混合數(shù)字方案利用一個能夠快速添加相位的快速環(huán)路來支持負(fù)載階躍瞬態(tài)事件。

傳統(tǒng)的相數(shù)增加和減少控制將會監(jiān)測總輸出電流，這是通過輸出電感電流來偵測的。當(dāng)發(fā)生負(fù)載階躍時，電感電流會緩慢增加，所以相位是逐一緩慢增加的，從而導(dǎo)致大電壓暫降，如圖19所示。因此，工作相位可能試圖占用滿施加的負(fù)載電流，并可能潛在地超載，直至增加更多相位。為保持在正常全相運行模式的相等瞬態(tài)響應(yīng)，APA控制幫助所有降低相位在大階躍瞬變時立即重新開始工作，從而導(dǎo)致非常小的電壓暫降，如圖20所示。輸出電壓響應(yīng)是快速的，因為所有相位都被開啟來支持負(fù)載。

圖20，帶有APA控制的負(fù)載瞬態(tài)性能。

(5)最低能量浪費

對于具有一個穩(wěn)壓器和使用廠商A和廠商B數(shù)字控制器的兩個內(nèi)存穩(wěn)壓器的系統(tǒng)(如表1所示)來說 ，100萬個主板在五年間會產(chǎn)生大于 500億瓦時的待機功耗浪費(如圖21所示)。Intersil的筆記本和混合數(shù)字解決方案會產(chǎn)生的能量要低得多，且在未來有可能進一步減少。另外，Intersil的混合數(shù)字方案還有AUTO模式，可在輕負(fù)載條件期間更精確地節(jié)省更多電力。

圖21，控制器的待機能量浪費比較。

四、結(jié)束語

本文考察了全數(shù)字電源解決方案在計算機技術(shù)領(lǐng)域的局限性和一些優(yōu)勢。同時對混合數(shù)字方案與全數(shù)字電源方案進行了對比?；旌蠑?shù)字方案提供了模擬控制環(huán)路來實現(xiàn)世界一流的瞬態(tài)性能，以及數(shù)字電源管理功能來實現(xiàn)靈活的可編程性和易于使用的接口，該方案可靠、經(jīng)濟、節(jié)能且易于使用，是一種環(huán)保型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并符合能源之星要求。